EFICIENCIA DE LAS TOBERAS Debido a la fricción fricc ión que ocurre entre el fluido y las paredes de la tobera y entre las propias capas del fluido, se producen algunas pérdidas que hacen que el proceso de expansión sea irreversible pero adiabático y por lo tanto, habrá una diferencia entre el proceso de expansión en condiciones ideales y el proceso en condiciones reales. En general, se puede decir que para determinar la eficiencia de una tobera se compara el desempeño real bajo condiciones definidas, con el desempeño que alcanzaría en condiciones ideales. Una manera de evaluar esta eficiencia es por medio de la relación que existe entre la ganancia de energía cinética debida a la caída de entalpía en condiciones reales y la ganancia de energía cinética debida a la caída de entalpía en condiciones ideales.
h
1
p = p 1
h1
h s
h
p 2 p =
h2 h3
2 3 TOBERA
s
Eficiencia Real:
=
h1
h2
h1
h3
h =
h s
EFICIENCIA DE UN DIFUSOR
p 2 p =
h
h2
2 3
h3 h
p 1 p =
h s
h1
1
DIFUSOR
s Eficiencia Real =
h3
h1
h2
h1
=
h s h
ONDAS DE CHOQUE En la mecánica de fluidos, una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido . Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones. Una onda de choque es un tipo de propagación de las perturbaciones. Al igual que una onda ordinaria, que transporta energía y se puede propagar a través de un medio o en algunos casos, en ausencia de un medio material, a través de un campo tal como el campo electromagnético. Las ondas de choque se caracterizan por un cambio abrupto, casi discontinua en las características del medio. Al otro lado de un choque siempre hay un muy rápido aumento de la presión, la temperatura y la densidad del flujo. En los flujos supersónicos, la expansión se logra a través de un ventilador de expansión. Una onda de choque viaja a través de la mayoría de los medios de comunicación a una velocidad más alta que una onda ordinaria. ordinaria. A diferencia de los solitones, la energía de una onda de choque se disipa relativamente rápidamente con la distancia. Además, los enfoques de onda de expansión que se acompañan y, finalmente, se fusiona con la onda de choque, cancelando parcialmente hacia fuera. Así, el boom sónico asociado con el paso de un avión supersónico es la onda de sonido resultante de la degradación y la fusión de la onda de choque y la onda de expansión producida por la aeronave. Cuando una onda de choque pasa a través de la materia, la energía total se conserva, pero la energía que se puede extraer a medida que disminuye el trabajo y los aumentos de entropía. Esto, por ejemplo, crea fuerza de arrastre adicional en los aviones con los choques.
Terminología Las ondas de choque pueden ser: Normal: entre 90 y dirección de flujo del medio shock. Oblicua: en un ángulo a la dirección del flujo. Proa: Se produce aguas arriba de la parte delantera de un objeto contundente cuando la velocidad aguas arriba excede de Mach 1. Algunos otros términos términos Choque frontal: un nombre alternativo para la propia onda de choque Contacto frontal: en una onda de choque causada por un gas de accionamiento, el límite entre el conductor y los gases conducidos. El Frente Contacto arrastra el frente de choque.
En los flujos supersónicos La brusquedad del cambio en las características del medio, que caracterizan a las ondas de choque, puede ser visto como una transición de fase: el diagrama de presión-tiempo de propagación de un objeto supersónico muestra cómo la transición inducida por una onda de choque es análoga a una transición de fase dinámico . Cuando un objeto se mueve más rápido que la información sobre él se puede propagar en el fluido circundante, el fluido cerca de la perturbación no puede reaccionar o "salir de la forma" antes de que llegue la perturbación. En una onda de choque de las propiedades del fluido cambien de forma casi instantánea. Las mediciones del espesor de las ondas de choque han resultado en valores de 0,2 micrómetros, que es del mismo orden de magnitud que el camino libre medio molécula de gas. En referencia a la serie continua, esto implica la onda de choque puede ser tratada ya sea como una línea o un plano si el campo de flujo es de dos dimensiones o en tres dimensiones, respectivamente. respectivamente. Forman ondas de choque cuando la velocidad de un fluido cambia en más de la velocidad del sonido. En la región en que este se produce ondas sonoras que viajan contra la corriente llegan a un punto en que no pueden viajar más lejos aguas arriba y la presión se acumula progresivamente en esa región, y una onda de choque de alta presión de forma rápida. Las ondas de choque no son ondas de sonido convencionales; una onda de choque toma la forma de un cambio brusco de las propiedades del gas en el orden de unos pocos caminos libres medios de espesor. Las ondas de choque en el aire se oyen como un "crack" fuerte o ruido "chasquido". En distancias más largas una onda de choque puede cambiar de una onda no lineal en una onda lineal, degenerando en una onda de sonido convencional, ya que calienta el aire y pierde energía. La onda sonora se oye como el "golpe" familiar o "golpe" de un estampido sónico, comúnmente creada por el vuelo supersónico de los aviones. La onda de choque es una de varias maneras diferentes en las que un gas en un flujo supersónico puede ser comprimido. Algunos otros métodos son compresiones isotrópicas, incluyendo compresiones Prandtl-Meyer. El método de la compresión de un gas en los resultados de diferentes temperaturas y densidades para una relación de presión dada, que puede ser calculada analíticamente para un gas no reactivo. Una onda de choque resultados de compresión en una pérdida de presión total, lo que significa que se trata de un método menos eficaz de compresión de gas para algunos propósitos, por ejemplo, en la ingesta de un scramjet. La aparición de la presión y arrastre en aeronaves supersónicas es debido al efecto de la compresión de choque en el flujo en su mayoría.
Shocks normales En la mecánica de fluidos elementales que utilizan gases ideales, una onda de choque se trata como una discontinuidad en la entropía aumenta más de una región casi infinitesimal. Puesto que no hay flujo de fluido es discontinuo, un volumen de control se establece en torno a la onda de choque, con las superficies de control que delimitan este volumen paralela a la onda de choque. Las dos superficies están separadas por una muy pequeña profundidad tal que el propio amortiguador está enteramente contenido entre ellos. En estas superficies de control, impulso, flujo de masa y energía son constantes. Se supone que el sistema es adiabático y no se está trabajando. Teniendo en cuenta las hipótesis establecidas, en un sistema en el que las propiedades de aguas abajo son cada vez subsónico: las propiedades de flujo aguas arriba y aguas abajo del fluido se consideran isentrópico. Puesto que la cantidad total de energía dentro del sistema es constante, la entalpía de estancamiento se mantiene constante durante ambas regiones. Sin embargo, la entropía está aumentando esto debe ser explicado por una caída en la presión de estancamiento del fluido aguas abajo.
Debido a la no lineal empinamiento Las ondas de choque pueden formar debido al aumento de la pendiente de las olas comunes. El ejemplo más conocido de este fenómeno es que las olas del mar forman rompientes en la orilla. En aguas poco profundas, la velocidad de las ondas de superficie depende de la profundidad del agua. Una ola de mar entrante tiene una velocidad de onda ligeramente mayor cerca de la cresta de cada ola que cerca de los valles entre las ondas, debido a que la altura de las olas no es infinitesimal en comparación con la profundidad del agua. Las crestas de superar a los canales hasta que el borde de ataque de la onda forma una cara vertical y derrama para formar un shock turbulento que disipa la energía de la ola como sonido y el calor. Fenómenos similares afectan a fuertes ondas de sonido en el gas o plasma, debido a la dependencia de la velocidad del sonido de la temperatura y la presión. Fuerte oleaje calentar el medio de cerca de cada frente de presión, debido a la compresión adiabática del aire mismo, de manera que los frentes de alta presión más aprisa que los canales de presión correspondientes. Mientras que la formación de choque por este proceso no ocurre normalmente a las ondas sonoras en la atmósfera de la Tierra, que se cree que es uno de los mecanismos por los cuales la cromosfera y la corona solar se calientan, a través de ondas que se propagan hacia arriba desde el interior solar.
Analogías
Una onda de choque puede ser descrito como el punto más alejado aguas arriba de un objeto en movimiento que "sabe" sobre el enfoque del objeto. En esta descripción, la posición de la onda de choque se define como el límite entre la zona que no tiene información sobre el evento a los golpes de conducción, y la zona de conocimiento del hecho a los golpes de conducción, de forma análoga con el cono de luz se describe en la teoría de la relatividad relatividad especial. Para producir una onda de choque, un objeto en un medio dado debe viajar más rápido que la velocidad local del sonido. En el caso de una aeronave que viajaba a gran velocidad subsónica, las regiones de aire alrededor de la aeronave pueden viajar en exactamente la velocidad del sonido, de modo que las ondas de sonido que salen de la aeronave se amontonan unas sobre otras, similar a un atasco de tráfico en una autopista . Cuando se forma una onda de choque, aumenta la presión del aire local, y luego se extiende hacia los costados. Debido a este efecto de amplificación, una onda de choque puede ser muy intenso, más como una explosión cuando escuchó a la distancia. Fenómenos análogos son conocidos fuera de la mecánica de fluidos. Por ejemplo, las partículas aceleradas más allá de la velocidad de la luz en un medio de refracción crear efectos de choque visible, un fenómeno conocido como radiación de Cherenkov.
DISPOSITIVOS HIPERSUSTENTADORES
Los dispositivos hipersustentadores fueron ideados para alcanzar valores más altos del coeficiente de sustentación máximo (CL máx.) en el ala. En la práctica, el sistema más utilizado consiste en aumentar eventualmente la línea de curvatura media, por la acción de unas superficies movibles, llamadas "flaps" o aletas hipersustentadoras. hipersustentadoras. Suele considerarse que el principal efecto de las aletas hipersustentadoras o flaps es aumentar la sustentación máxima, bien para reducir la velocidad de desplome, o bien para disminuir la superficie del ala requerida para una velocidad de desplome dada. Como los alerones, para el mando transversal, están situados en los extremos del ala, las aletas hipersustentadoras o flaps se colocan, en general, entre los extremos interiores de los alerones.
Al girar la aleta hipersustentadora hipersustentadora se crea una depresión suplementaria sobre el extradós de la aleta, que aumenta las depresiones sobre el extradós del ala; y, al propio tiempo, las sobrepresiones sobre el intradós aumentarán, principalmente sobre la mitad posterior del ala. El resultado será un aumento del CL máx. Durante el despegue los flaps se despliegan parcialmente unos grados hacia afuera y hacia abajo. Esta variación permite un mayor desvío de aire en el ala originando un incremento en la sustentación. sustentación. Durante la maniobra de aproximación a la pista y la preparación para el aterrizaje es necesario disminuir la velocidad del avión. Cuando se encuentra ya cerca del comienzo o cabeza de la pista, el piloto despliega de nuevo los flaps para aumentar la sustentación, compensando así la que se pierde al disminuir velocidad y altura. En general, las curvas que representan la variación del coeficiente de sustentación con el ángulo de ataque son aproximadamente paralelas, en su parte lineal. Como consecuencia, el ángulo de ataque para la sustentación nula variará.
Pero el efecto de las aletas hipersustentadoras no se limita a aumentar el coeficiente máximo de sustentación, sino que también son incrementados el coeficiente de resistencia al avance y el coeficiente de momentos.
El equilibrio y la estabilidad longitudinal del avión pueden mantenerse, no obstante el aumento de CM, porque la deflexión de la corriente sobre los planos de cola también aumenta, incrementando, incrementando, como veremos, el par estabilizador. Los tipos de aletas hipersustentadoras más conocidos son: Alerones de curvatura, curvatura, sin o con efecto de ranura ranura (plain flaps y slotted flaps). Aletas de intradós (Split flaps). Aletas Zap (Zap flaps). Aletas Junker o de superficie aerodinámica externa (Junker flaps). Aletas Fowler (Fowler flaps). Aletas múltiples. •
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También se han probado diversos sistemas para corregir la inestabilidad de la capa superficial laminar sobre el extradós del ala, y conseguir que el desprendimiento de la capa límite tenga lugar a ángulos de ataque más elevados, con lo que el CL máx. será mayor. Entre éstos, el sistema de ranuras en el borde de ataque ha alcanzado considerable éxito en la práctica.
La función de los slats, al igual que los flaps, es alterar momentáneamente la forma del ala durante el despegue y el aterrizaje para aumentar la sustentación, además de facilitar el control del movimiento lateral del avión.
Las ranuras son muy eficaces para aumentar la sustentación y, sobre t odo, para disminuir la velocidad a la que el avión "entra en pérdida", por crecer CL máx., con el ángulo de ataque.
En un ala con ranura, la deflexión sufrida por la corriente de aire que pasa alrededor de la aleta de ranura hace que los filetes de fluido escurran a lo largo del extradós del ala principal, impidiendo o retardando el desprendimiento de los mismos y la formación del régimen turbulento. Hay dos tipos de sistemas de ranuras: a) Fijas. b) Movibles
Las aletas de ranura se fijan en una posición determinada, que permita obtener los resultados aerodinámicos más convenientes. convenientes.
Una aleta de ranura móvil puede moverse por medio de un mecanismo, a fin de que la ranura solamente se abra para grandes ángulos de ataque. Las ranuras pueden abrirse automáticamente o por mando del piloto
Los spoilers son también superficies flexibles consistentes en dos tiras de metal colocadas sobre la superficie superior de cada ala.
Se puede extender cada spoiler de forma independiente durante el vuelo para controlar el movimiento lateral del avión o hacerlos funcionar de forma conjunta, para que actúen como frenos de aire, una vez que el avión aterriza.
